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CO2-neutraler Zementersatz | Das Start-up Co-reactive aus Düsseldorf karbonisiert calcium- und magnesiumsilikatische Mineralien mit verflüssigtem CO2 in einem Hochdruckreaktor. Das CO2-neutrale Produkt eignet sich als zementartiges Bindemittel. Geschäftsführer sind Andreas Bremen und Orlando Kleineberg (Handelsregistereintrag vom 27.3.2024).Wirkstoffbibliothek | Eine Bibliothek kleiner Moleküle für die Arzneimittelentwicklung stammt vom Start-up MyxoTech aus Saarbrücken. Sie enthält genomische und metabolomische Daten schwer zu kultivierender und daher bisher wenig erforschter Myxobakterien. Diese produzieren bioaktive Metaboliten, etwa eine Vorstufe des halbsynthetischen Krebsmedikaments Ixabepilon. Geschäftsführer sind Peter Sullivan und Thomas Hesterkamp (28.6.2024).Polymere mit weniger CO2-Emissionen | Der Kunststoffhersteller Power2Polymers aus Aachen integriert Polyoxymethylen (POM) in Basispolymere, um etwa Schmier-, Kleb- oder Dichtstoffe zu produzieren. Der CO2-Fußabdruck der Produkte lässt sich selbst basierend auf fossilen Rohstoffen um 40 % senken. Geschäftsführer sind Harald Rubner, Yannik Kohlhaas, Guido Schroer und Tobias Riedl (22.11.2024).Bakterien zerstören Chemieabfälle | Schadstoffe wie Mikroplastik, Pestizide, Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sowie Arzneistoffe in Gewässern und Kläranlagen zersetzt das Biotechnologie-Start-up CellX Biosolutions aus Zürich mit Bakterien. Das Team testet, welche natürlichen Mikroorganismen die Schadstoffe wie schnell abbauen können, und untersucht entstehende Nebenprodukte. Dafür stellt das Start-up mikrobielle Konsortien her und skaliert diese auf industriellen Maßstab. Geschäftsführer:innen sind Estelle Clerc, Geoffrey Besnier und Fabienne Kurt (19.11.2024).Holger Bengs, European Chemistry Partnering, schaut für die Nachrichten aus der Chemie ins Handelsregister.

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CO2-neutraler Zementersatz | Das Start-up Co-reactive aus Düsseldorf karbonisiert calcium- und magnesiumsilikatische Mineralien mit verflüssigtem CO2 in einem Hochdruckreaktor. Das CO2-neutrale Produkt eignet sich als zementartiges Bindemittel. Geschäftsführer sind Andreas Bremen und Orlando Klei...

Biokunststoffe sind inzwischen eine gern genutzte Alternative zu petrochemisch basierten, denn sie gelten als biologisch abbaubar. Dies stimmt allerdings meist nur unter definierten Laborbedingungen und nicht für die natürliche Umwelt. Wie gut Mikroben Biokunststoffe zersetzen, zeigt sich daran, wie viel CO2 während des Abbaus entsteht.Der biologische Abbau von Biokunststoffen ist schwierig nachzuweisen, was zu vielen Ansätzen geführt hat: Viele davon basieren auf fehleranfälligen gravimetrischen Methoden oder anderen Analysen des verbleibenden Polymermaterials, etwa der Abnahme des Molekulargewichts oder Zunahme der Kristallinität.<h2 type="main">Abbau nachweisen</h2>Zuverlässige Ansätze untersuchen, wie viel CO₂ während des Abbaus entsteht. Dadurch lässt sich die Mineralisierung von Kunststoffen beweisen, also der komplette Abbau zu H2O, CO2 und Biomasse. Diese Ansätze erfordern allerdings häufig große Probenmengen – konkret mehrere Gramm Plastik und mindestens 100g Boden/Kompost –, spezielle Geräte wie Respirometer oder teure isotopenmarkierte Verbindungen.Ansatzgröße und Geräte schränken die Probenzahl pro Studie ein: Für 100 g Probenmenge oder mehr sind Erlenmeyerkolben oder Schott-Flaschen nötig, die relativ viel Platz einnehmen – der ist in temperierten Inkubatoren begrenzt. So verfügt etwa das Echo-Respirometer über zwölf Plätze pro Inkubatoreinheit. Werden vier Einheiten gleichzeitig genutzt, lassen sich 48 bis 60 Proben gleichzeitig messen; der Platzbedarf beträgt 150 × 86 × 200 cm.<h2 type="main">Neuer methodischer Ansatz</h2>Forscher:innen der Arbeitsgruppe für mikrobielle Ökologie an der Universität Konstanz, geleitet von David Schleheck, haben kürzlich eine Nachweismethode entwickelt. Auch diese bestimmt das beim biologischen Abbau entstehende CO₂. Es wird in alkalischer Lösung aufgefangen, wo es zu Carbonat reagiert. Dieses bekannte Prinzip hat Harry Lerner, Postdoktorand an der Universität Konstanz, genutzt und zu einer Hochdurchsatzmethode weiterentwickelt. Es sind nur kleine Probenmengen nötig, nämlich 1 g Bodenmaterial und 50 mg Plastik, und es lassen sich parallel recht viele Proben auf recht wenig Platz testen. So passen 60 Proben in einen Röhrchenständer der Maße 24,6 × 10,1 × 7 cm.<h2 type="main">Materialien und Durchführung</h2>Für die Untersuchung wurden spezielle Reaktionsgefäße gefertigt: Sie bestehen aus einem 15-mL-Kulturröhrchen, das den Kunststoff und die biologische Probe enthält, also Umweltprobe oder Bakterienkultur (<link href="#nadc20254149008-fig-0001">Abbildung oben). Das Gefäß wird mit einem modifizierten luftdichten Gummistopfen verschlossen, an dem ein 1,5-mL-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie(HPLC)-Vial aus Glas befestigt ist. Zwei Kanülen durchstoßen den Stopfen, sie ermöglichen Füllen und Leeren des HPLC-Vials sowie Gasaustausch, um Sauerstoffmangel zu vermeiden.<figure xml:id="nadc20254149008-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cma248n404gjo08ulevjwu8eo"><figcaption><label>Abb.1: </label>Aufbau eines Probenröhrchens für den Wachstumsversuch, mit dem der Abbau des Biokunststoffs Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) anhand der CO2-Produktion analysiert wird. Grafik: BioRender / H. Lerner (2025)</figcaption></figure></figure>Das Reaktionsgefäß wird mit Kunststoff und biologischer Probe befüllt und verschlossen. Mit einer Spritze wird über eine der Kanülen 1 mL einer NaOH-Lösung in das HPLC-Fläschchen gegeben und die Probe je nach Abbauzeitraum inkubiert – wird die Substanz innerhalb von Stunden abgebaut, ist Inkubieren unnötig. Die Konzentration der NaOH-Lösung hängt vom Ausmaß der CO2-Produktion ab: Entsteht viel CO2, ist eine höhere NaOH-Konzentration nötig, um der Sättigung der Lösung vorzubeugen. Die Entnahme der NaOH-Lösung, gefolgt vom Einsetzen frischer NaOH-Lösung, erfolgt in bestimmten Zeitintervallen, und zwar so, dass sich eine Abbaukurve erstellen lässt. Die Zeiträume hängen individuell vom umsetzenden Stoff ab und sind nicht im Vorhinein festlegbar.Die NaOH-Probe wird in einem mit Reinstwasser gefüllten Fläschchen verdünnt und in einen Total-Organic-Carbon(TOC)-Analysator von Shimadzu (TOC-L) überführt. Hierin wird der CO2-Gehalt als anorganischer Kohlenstoff (total inorganic carbon TIC) bestimmt. Dabei entnimmt der TOC-Analysator ein Aliquot der Probe (500 μL) und injiziert drei- bis fünfmal 100 μL in vorgelegte Phosphorsäure. Im nunmehr sauren Medium wird das konservierte CO2 frei, mit einem Trägergas aus der Probe ausgegast und zu einem Nichtdispersiven-Infrarot(NDIR)-Detektor geleitet. Er misst die CO2-Menge. Die CO2-Konzentration wird mit der Gesamtmenge des im Kunststoff vorhandenen Kohlenstoffs ins Verhältnis gesetzt, um das prozentuale Ausmaß des Abbaus zu bestimmen. Für genaue Bestimmungen dienen biologische Replikate sowie Kontrollen mit biologischem Material, allerdings ohne Kunststoff – so lässt sich die im Hintergrund laufende CO2-Produktion einbeziehen.<h2 type="main">Validierung der Methode</h2>Um die Methode und ihre Genauigkeit zu bewerten, hat Masterstudent David Wendlandt unter Lerners Leitung mehrere Experimente durchgeführt:Er versetzte E.-coli-Kulturen mit Glukoselösungen der Konzentrationen 10, 30 und 60 mmol · L–1 in 7 mL kohlenstofffreiem Kulturmedium, wobei Glukose die einzige Kohlenstoffquelle war. Der Kohlenstoffgehalt der Glukose im Kulturmedium wurde als organischer Kohlenstoff am TOC ermittelt (non purgeable organic carbon = nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff, NPOC). Die Kulturen wurden inkubiert, NaOH-Proben nach 6, 20, 28 und 48 Stunden entnommen und der CO2-Gehalt wie beschrieben bestimmt. Unter idealen Bedingungen bei aerobem bakteriellem Stoffwechsel – für E. coli sind das 37 °C und horizontales Schütteln bei 120 rpm – werden allerdings nur etwa 50 Prozent des Substratkohlenstoffs als CO2 abgegeben, während der Rest zu neuer Biomasse wird. Daher haben Lerner und Kolleg:innen eine komplette Kohlenstoffbilanz erstellt: Hierfür wurde 1 mL der Kulturen nach 48 Stunden Wachstum in 29 mL Reinstwasser in einem TOC-Vial mit Rührstab verdünnt und anschließend via NPOC der Kohlenstoffgehalt der Biomasse ermittelt.Dabei säuerte der TOC-Analysator die Probe an und entgaste sie, um den anorganischen Kohlenstoff – also (Hydrogen-)Carbonate und gelöstes CO2 – zu entfernen. Ein Aliquot der vorbereiteten Probe wurde anschließend auf einen 680 °C heißen Platinkatalysator gegeben. Dabei wurden alle organischen Substanzen zu CO2 umgesetzt, das ein NDIR-Detektor erfasste.Den kompletten Abbau der Glukose bestätigten zudem Glukose-Teststreifen. Die gesamte über Glukose hinzugegebene Kohlenstoffmenge war entweder im gemessenen CO2 oder in der bakteriellen Biomasse zu finden, mit minimalen Abweichungen zwischen den biologischen Replikaten. Die Ergebnisse entsprachen zudem dem theoretisch erwarteten Ideal von 50/50 zwischen zu CO2 veratmetem und als Biomasse verbautem Kohlenstoff (<link href="#nadc20254149008-fig-0002">Abbildung S. 61).<figure xml:id="nadc20254149008-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cma248pzv5jn006ufofoftccu"><figcaption><label>Abb.2: </label>Links: Prozentualer Anteil des Kohlenstoffs aus Glukose, den das Bakterium E. coli in 48 Stunden in Biomasse und CO2 umgewandelt hat. Rechts: Verlauf des prozentualen Anteils des zu CO2 umgewandelten Kohlenstoffs. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichungen.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Mit Kunststoffen</h2>Ob die Methode auch mit Kunststoffen funktioniert, haben die Konstanzer Wissenschaftler:innen am Biokunststoff Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) untersucht.PHBV wurde als Pulver (Menge äquivalent zu 60 mM Kohlenstoffgehalt, entsprechend etwa 9 mg) in die Reagenzgefäße gefüllt und mit einem von zwei PHBV-abbauenden Bakterienisolaten in 7 mL kohlenstofffreiem Kulturmedium beimpft, nämlich Pseudomonas sp. und Achromobacter sp. NaOH-Proben wurden an den ersten 7 Tagen täglich entnommen und danach bis zum Ende des Experiments nach 35 Tagen zwei- bis dreimal wöchentlich. Die Biomasse wurde ebenfalls bestimmt wie beschrieben; aber anders als im vorigen Experiment wurde hier zunächst möglicher Restkunststoff über einen Filtrationsapparat (5 µM Maschenweite) entfernt. Der Restkunststoff wurde getrocknet und gewogen.Auch dieses Experiment bestätigte die Genauigkeit der Methode. Während das Achromobacter-sp.-Isolat den Kunststoff komplett umsetzte, fanden sich in Pseudomonas-sp.-Isolat-Kulturen Restmengen von unter 10 Prozent PHBV. Zudem wurde mehr Kohlenstoff zu CO2 umgesetzt als Biomasse gebildet. Dies kann auf suboptimalen Kulturbedingungen für dieses Isolat beruhen, aber auch auf Ungenauigkeiten hinweisen, die bei der gravimetrischen Restkunststoffbestimmung auftreten (<link href="#nadc20254149008-fig-0003">Abbildung oben).<figure xml:id="nadc20254149008-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cma249e5s5l6106uf262zgjsv"><figcaption><label>Abb.3: </label>Links: Prozentualer Anteil des Restkunststoffs sowie des Kohlenstoffs aus PHBV, den die Bakterienisolate Achromobacter sp. oder Pseudomonas sp. in 35 Tagen in Biomasse und CO2 umgewandelt haben. Rechts: Verlauf des prozentualen Anteils des zu CO2 umgewandelten Kohlenstoffs. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichungen.</figcaption></figure></figure>Die Methode ist inzwischen an mehreren Studien zum Kunststoffabbau erprobt, sowohl im Kulturmedium als auch indirekt in Bodenproben, mit wöchentlich bis zu über 100 individuellen Messungen.<h2 type="main">Details: Probleme mit Kunststoffen</h2>Kunststoff ist in der Industrie und nahezu allen Lebensbereichen unverzichtbar. Das schränkt regulatorische Maßnahmen ein, mit denen sich die Umweltverschmutzung verringern ließe. Diese resultiert nicht nur aus der übermäßigen Verwendung von Kunststoff, sondern auch aus dessen Eigenschaften: Die meisten Kunststoffe sind synthetische Polymere, die Wind, Wetter und Mikroben widerstehen. Aufgrund dieser Beständigkeit reichern sie sich in der Umwelt an, wo sie in Mikro- und Nanoplastik zerfallen und letztlich in unberührte Lebensräume gelangen.Wie in jüngster Zeit bekannt wurde, dringen Mikro- und Nanoplastik in menschliche Nahrungsketten ein. Nanoplastik wurde in der Plazenta schwangerer Frauen und im menschlichen Gehirn nachgewiesen. Wie sich dies langfristig auf die Gesundheit auswirkt, ist unklar. Zudem führt die Produktion konventioneller Kunststoffe auf petrochemischer Basis zu erheblichen Kohlenstoffemissionen und trägt damit zur vom Menschen verursachten Klimaveränderung bei.Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe, allgemein als Biokunststoffe bezeichnet, haben sich seit etwa 2010 bei vielen Anwendungen als Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen etabliert. Diese Polymere sind zwar auch synthetisch, werden aber aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt, etwa pflanzlichen Ölen und Biomasse, oder durch mikrobielle Fermentation. Ihre Eigenschaften ähneln nicht nur denen konventioneller Kunststoffe, sondern eignen sich für manche Zwecke sogar besser als diese, etwa für Lebensmittelverpackungen oder für den Einsatz im menschlichen Körper. Zusätzlich sind sie biologisch abbaubar.<h2 type="main">Die Autoren</h2>Diesen Beitrag haben Harry Lerner, David Schleheck, David Wendlandt und Sascha Hupach geschrieben. Lerner ist Postdoktorand an der KU Leuven in Belgien, wo er das Potenzial für Plastikabbau im Darmmikrobiom holzfressender Insektenlarven erforscht. Schleheck ist Professor für Mikrobielle Ökologie und Limnische Mikrobiologie an der Universität Konstanz. Wendlandt fertigt seine Masterarbeit in der AG Schleheck an. Hupach ist Total-Organic-Carbon-Spezialist bei Shimadzu Deutschland. <email><a href="mailto:Harry.Lerner@KULeuven.be">Harry.Lerner@KULeuven.be</a></email> <email><a href="mailto:Info@shimadzu.de">Info@shimadzu.de</a></email>

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